Coixinet d'aire

Fuset d'alta freqüència suspés per aire en alimentació integrada

Fuset d'alta freqüència accionat per aire

Els coixinets d'aire (també coneguts com coixinets aerostáticos o coixinets aerodinàmics) són un tipo de coixinets de decorreguts que utilisen una película prima de gas presurizado com a soport de baixa fricció entre dos superfícies en moviment. Les dos superfícies no es toquen, lo que evita els problemes tradicionals relacionats en els coixinets de fricció (com el desgast, la formació de partícules o la necessitat de lubricació), i oferixen clares ventages si es requerix un ajust de precisió (com l'absència de chala i de fricció estàtica), i en aplicacions d'alta velocitat.

Són de dos tipos: els coixinets aerodinàmics, que establixen el matalaf d'aire a través del moviment relatiu entre parts estàtiques i mòvils; i els coixinets aerostáticos, en els que la pressió es genera externament.

S'utilisen principalment en ferramentes de maquinària de precisió (màquines de medició i processament) i màquines d'alta velocitat (fusets, turbomaquinaria a chicoteta escala i giroscopis de precisió). Els simuladors de les naus espacials també ampren cada volta en major freqüència coixinets d'aire mecanisats per mig d'impressores 3-D, com en el cas del CubeSat.

Tipos de coixinets de gas

Els coixinets lubricados en gas es classifiquen en dos grups, segons la font de presurisació de la película de gas que proporciona la capacitat de càrrega:

• Coixinets aerostáticos: el gas es presuriza externament (per mig d'un compressor o un tanc de pressió) i s'injecta en el joc del coixinet. En conseqüència, els coixinets aerostáticos poden soportar una càrrega inclús en absència de moviment relatiu, pero requerixen un sistema de compressió de gas extern, lo que genera costs en térmens de complexitat i energia.
• Coixinets aerodinàmics: el gas és presurizado per la velocitat relativa entre les superfícies estàtica i mòvil del coixinet. Dits coixinets són d'acció automàtica i no requerixen una entrada externa de gas comprimit. No obstant, el contacte mecànic ocorre a velocitat zero, lo que requerix una consideració tribológica particular per a evitar un desgast prematur.

També existixen rodament híbrits que combinen les dos famílies. En tals casos, un rodament normalment s'alimenta en gas comprimit externament a baixa velocitat i despuix depén parcial o totalment de l'efecte de autopresurisació a velocitats més altes.

Entre estes dos categories tecnològiques, els coixinets de gas es classifiquen segons el tipo d'unió que realisen:

• Rodament de moviment llineal: admet una translació en 1 o 2 direccions entre dos plans
• Coixinets plans: Soporta una rotació entre dos parts
• Coixinets d'espente: bloquegen el desplaçament axial d'una peça giratòria, generalment s'usen en combinació en coixinets plans

Els principals tipos de coixinets d'aire es classifiquen en les següents categories:

Tipo	Tecnologia	Descripció
Aerostático	Mig poroso	El fluix de gas es controla a través d'un material poroso
	Microboquilla	El fluix de gas es controla a través d'orificis de tamany micrométrico
	Tipo d'orifici	El fluix de gas es controla a través d'orificis i recalats
	Llançador d'aire	El fluix de gas es controla a través d'una bossa d'aire
Aerodinàmic	Coixinet de làmina	La superfície de respal és flexible, lo que permet un gran desplaçament i proporciona una bona estabilitat
	Coixinet ranurado en espiral	La película de gas es presuriza per mig de recalats mecanisats en una de les superfícies, conseguint una alta capacitat de càrrega i estabilitat. Els patrons de recalat habituals són en forma de mechó, en espiral o rectes (coixinets escalonats)

Coixinets aerostáticos

El gas presurizado actua com a lubrificant en l'espai entre les peces mòvils dels coixinets. El matalaf de gas du la càrrega sense cap contacte entre les parts mòvils. Normalment, el gas comprimit és suministrat per un compressor. Un objectiu clau de suministrar la pressió del gas en l'espai és que la rigidea i l'amortiguamiento del matalaf de gas alcancen el nivell més alt possible. Ademés, el consum de gas i l'uniformitat del seu suministrament en l'espai són crucials per al bon comportament dels coixinets aerostáticos.

Aportació d'aire a l'espai intermig

El suministrament de gas a l'interfaç entre els elements mòvils d'un coixinet aerostático es pot conseguir en varis métodos diferents:

• Superfície porosa
• Superfície porosa parcial
• Alimentació per orifici discret
• Alimentació per recalat
• Alimentació per regata

No existix un únic método òptim per a alimentar la película. Tots tenen les seues ventages i inconvenients específics per a cada aplicació.

Volum mort

Els volums morts es referixen en particular a les cambres i canals existents en els coixinets aerostáticos convencionals per a distribuir el gas i aumentar la pressió comprimida dins de l'espai. En els coixinets de gas porosos (sinterizados), les cavitats internes també es consideren volum mort.

Coixinets aerostáticos convencionals

Tovera d'un coixinet d'aire en cambres i canals

En els coixinets aerostáticos convencionals d'una sola filtre, l'aire comprimit fluïx a través d'unes poques filtre relativament grans (de 0,1 a 0,5 mm de diàmetro) cap a l'espai intermig del coixinet. Per lo tant, el consum de gas solament permet certa flexibilitat, de modo que les característiques del rodament (força, moments, superfície de respal, altura de l'entrehierro del coixinet, amortiguación) solament poden ajustar-se de manera insuficient. No obstant, per a permetre una pressió de gas uniforme inclús en solament algunes filtre, els fabricants de coixinets aerostáticos adopten tècniques constructives. En fer-ho, estos coixinets generen volums morts (volum d'aire no comprimible i, per lo tant, de baixa pressió). En efecte, este volum mort és molt perjudicial per a la dinàmica del coixinet de gas i provoca vibracions autoexcitadas.

Coixinets aerostáticos de filtre única

El sistema de compressió previ consta d'una cambra al voltant de la filtre central. Normalment, la relació d'esta cambra està entre el 3% i el 20% de la superfície del coixinet. Inclús en una profunditat de cambra d'1/100 mm, el volum mort és molt alt. En el pijor dels casos, estos coixinets d'aire consten d'una superfície de respal cóncau en lloc d'una cambra. La seua principal desventaja és que disponen d'una rigidea davant l'inclinament de la part rotante molt reduïda.

Coixinets de gas en canals i cambres

Normalment, els coixinets aerostáticos convencionals es fabriquen en cambres i canals. Este disseny assumix que en una cantitat llimitada de filtre, el volum mort deu disminuir mentres es distribuïx uniformemente el gas dins de l'espai intermig. La majoria de les concepcions es referixen a estructures de canals especials. Des de finals de la década de 1980 es fabriquen coixinets aerostáticos en estructures de microcanales sense cambres. No obstant, esta tècnica també té que gestionar problemes de volum mort. A mida que aumenta l'altura de l'espai, la càrrega i la rigidea del microcanal disminuïxen. Com en el cas de accionament llineals d'alta velocitat o fusets d'alta freqüència, açò pot causar séries desventages.

Coixinets aerostáticos en microboquillas perforades en làser

Cort a través d'un element cilíndric

Processament per làser (cort a través d'un element del coixinet)

Els coixinets aerostáticos de microboquilla perforats en làser utilisen tècniques de disseny i fabricació computarisades per a optimisar el rendiment i l'eficiència. Esta tecnologia permet als fabricants una major flexibilitat en la producció, optimisant els seus dissenys per a una aplicació determinada. En molts casos, els ingeniers poden crear coixinets d'aire que s'acosten al llímit teòric de rendiment.

En lloc d'unes poques filtre grans, els coixinets aerostáticos en moltes microboquillas eviten volums morts dinàmicament desventajosos. Els volums morts es referixen a totes les cavitats en les que el gas no pot comprimir-se durant la disminució de l'espai. Estos apareixen quan la pressió baixa del gas estimula la vibració. Eixemples dels beneficis obtinguts són: accionament llineals en acceleració de més de 1000 m/s² (100 g) o accionament d'impacte en inclús més de 100 000 m/s² (10 000 g) per l'alta amortiguación en combinació en una elevada rigidea dinàmica; moviments subnanométricos pels errors induïts per soroll més baixos; i transmissió de gas o buit sense juntes per a accionament rotatius i llineals per mig de l'intersticio gràcies al suministrament d'aire guiat.

Els coixinets aerostáticos de microboquillas conseguixen una distribució de pressió efectiva i casi perfecta dins de l'espai intermig en una gran cantitat de microboquillas. El seu diàmetro típic està entre 0,02 mm i 0,06 mm. La secció travessera més estreta d'estes filtre es troba exactament en la superfície del coixinet. D'esta manera, la tecnologia evita un volum mort en la superfície del coixinet d'aire de respal i dins de l'àrea de les filtre de suministrament d'aire.

Les microboquillas es perforen automàticament en un raig làser que proporciona la màxima calitat i repetibilidad. Els comportaments físics dels coixinets d'aire demostren tindre una baixa variació dimensional tant per a grans com para chicotets volums de producció. A diferència dels coixinets convencionals, en esta tècnica els coixinets neumàtics no requerixen una fabricació manual ni costosa.

Les ventages de la tecnologia de coixinets d'aire de microboquillas inclouen:

• Us eficient del matalaf d'aire (prop del llímit físic) a través d'una pressió uniforme dins de tot l'espai intermig
• Combinació perfecta de propietats estàtiques i dinàmiques
• Major flexibilitat possible de les propietats del coixinet d'aire: en una altura de separació particular, és possible optimisar el coixinet d'aire de modo que tinga, per eixemple, una càrrega màxima, rigidea axial, rigidea a l'inclinament, amortiguación o un consum d'aire mínim (respectivament també en combinació en atres propietats)
• Màxima precisió en aprovació múltiple de tots els coixinets d'aire, per mig d'una tecnologia de medició capaç de detectar els més mínims moviments (<< 2 nanómetros) per mig de vibracions autoexcitadas físiques, lo més baixes possibles
• Rigidea davant l'inclinament considerablement més alta que els coixinets d'aire convencionals, de modo que l'aire dins de l'espai fluïx per mig de canals des de les àrees carregades cap a les àrees sense càrrega
• Sense vibracions en tot el ranc de funcionament, inclús en un suministrament d'aire a alta pressió (en realitat, són possibles inclús molt més de 10 bar)

• Màxima fiabilitat per la gran cantitat de filtre: l'obstrucció de les filtre per partícules està fòra de discussió (no hi ha fallos de funcionament) perque els seus diàmetros són molt majors que l'altura de l'espai intermig
• Possibilitat d'ajustar les propietats del coixinet per a les seues condicions de deformació i tolerància i les de la superfície oposta
• Usabilidad comprovada per a molts materials i revestiment de coixinets

Algunes d'estes ventages, com l'alta flexibilitat, les excelents propietats estàtiques i dinàmiques combinades i una excitació de soroll molt baixa, demostren ser úniques entre tots els demés coixinets aerostáticos.

Distints dissenys

Coixinet estàndart redó

Els coixinets d'aire estàndar s'oferixen en varis montages per a unir-los a un mecanisme:

• Coixinets per a conexió flexible en passadors de boles, el sistema que se sol suministrar en el mercat.
• Rodament en junta d'alta rigidea en lloc d'un passador de boles convencional. Usant esta versió, la rigidea del sistema complet és significativament major.
• Coixinets en pistó integrat per a precarga de guies determinades estáticament.
• Ademés, també existixen coixinets rectangulars en montage fix (sense juntes) per a guies d'elevada rigidea per a dispondre de major precisió o d'una millor dinàmica.
• Aixina mateix, existixen coixinets neumàtics en precargas magnètiques o de buit integrades, coixinets neumàtics per a altes temperatures de fins a més de 400 °C, aixina com fabricats en materials alternatius.

Ventages i desventages dels coixinets lubricados en gas

Ventages

Comparació de coixinets d'aire

• Operació sense desgast, gran durabilitat. Els coixinets neumàtics funcionen sense contacte i, per lo tant, sense abrasió. L'única fricció resulta del fluix d'aire entre les superfícies de respal. Per lo tant, la durabilitat dels coixinets d'aire és illimitada si es dissenyen i calculen correctament. Els coixinets de rodells i els coixinets de fricció tenen un alt grau de fricció quan s'usen a alta velocitat o acceleració, lo que provoca un cicle de retroalimentació positiva a on l'alta abrasió disminuïx la precisió, lo que a la seua volta provoca un major desgast, lo que du al seu fallo final.
• Guiat, repetibilidad i precisió de posicionament. En la producció de chips i quan es coloca en màquines ferramenta, garantisa una alta precisió i repetibilidad. Es deu alcançar una densitat d'1-2 μm. En tal precisió, els rodament de rodells alcancen el seu llímit físic tolerant acceleració molt menors. En la generació de litografia per a circuits impresos, els coixinets d'aire ya estan establits.
• Ventaja de costs i repetibilidad. Quan s'apliquen en série, els coixinets de gas poden tindre una ventaja econòmica sobre els coixinets de rodells: la producció d'un fuset d'alta freqüència guiat per rodells és, segons un fabricant, aproximadament un 20 % més cara que la dels fusets guiats per aire.
• Purea ambiental. Degut a que no requerixen l'us d'oli per a la seua lubricació i no tenen fricció, els coixinets de gas són adequats per a aplicacions que requerixen una baixa contaminació del decorregut de treball. Est és un aspecte crític per a l'indústria farmacèutica, el processament de combustible nuclear, la fabricació de semiconductors i els cicles de conversió d'energia.

Inconvenients

• Vibració autoexcitada. En els coixinets plans, la vibració autoexcitada pot aparéixer més allà d'una velocitat donada, per la rigidea de l'acoplament creuat i a la baixa amortiguación de la lubricació en gas. Esta vibració pot provocar inestabilitat i amenaçar el funcionament del coixinet de gas. Es requerixen càlculs dinàmics precisos per a garantisar una operació segura dins del ranc de velocitat desijat. Este tipo d'inestabilitat es coneix com "tribulí a mija velocitat" i afecta especialment als coixinets aerodinàmics.

• Tolerància de fabricació ajustades. Per a soportar suficient càrrega i evitar l'inestabilitat mencionada anteriorment, es requerixen tolerància estrictes en la chala entre les superfícies de respal. Es requerixen espais lliures típics que van des de 5 μm a 50 μm per a rodament aerodinàmics i aerostáticos. En conseqüència, els coixinets d'aire són cars de fabricar.
• Ambient net. Per la seua chicoteta chala, els coixinets lubricados en gas són sensibles a la presència de partícules i pols en l'ambient (en el cas dels coixinets aerodinàmics) i en el gas presurizado externament (coixinets aerostáticos).